第二十一章光的量子性-Read课件

第六篇近代物理学基础课件制作人基础课部物理教研室赵存虎2001.10.主要参考资料：清华大学编《大学物理电子课件》（光的量子性）第六篇近代物理学基础课件制作人（光的量子性）第十九章光的量子性.1.§19-1

热辐射黑体辐射§19-2普朗克的能量子假说普朗克公式§19-3

光电效应§19-4爱因斯坦的光量子论§19-5康普顿效应(QuantumofLight)第十九章光的量子性.1.§19-1热辐射黑体辐射§19-1

热辐射黑体辐射一、热辐射现象1.基本性质：温度

电磁波的短波成分

.2.任何物体在任何温度下都不断地向周围空间辐射电磁波,这一现象称为热辐射.例如：加热铁块800K以上，可见光成分逐渐显著。辐射的能量

(Thermalradiation,Blackbodyradiation)§19-1热辐射黑体辐射一、热辐射现象1.基本性物体中的分子、原子的热运动使它们有能量交换，辐射电磁波。2.热辐射机理:3.单色辐出度M

单位时间内从物体单位表面积发射的波长在

附近单位波长d

间隔内的辐射能dM

与d

的比值，用M

表示.3.物体中的分子、原子的热运动使它们有能量交换，辐射电磁二、黑体和黑体辐射的实验规律1.黑体能完全吸收各种波长电磁波而无反射和透射的物体，M

最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关。.4.平衡热辐射：物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量.2.维恩设计的黑体二、黑体和黑体辐射的实验规律1.黑体能完全吸收各种4．维恩位移律

m=b/Tb=2.897756×10-3m·K5．理论与实验的对比3.斯特藩-玻耳兹曼定律M(T)=

T

4

=5.67

10-8W/m2K4三、经典物理学遇到的困难.5.4．维恩位移律m=b/Tb=2.897756×10为了与实验结果相吻合,普朗克假设:物体辐射或吸收频率为ν的电磁波时,交换的能量只能是hν的整数倍.2.普朗克的假设(1900)经典观点能量1.“谐振子”的概念(1900年以前)量子观点§19-2普朗克的能量子假说普朗克公式.6.根据经典热力学理论,物体中大量带电粒子的振动,可看作谐振子的振动,它们向周围辐射电磁波,形成连续能谱.(TheHypothesisofQuantization,PlanckExpressions)为了与实验结果相吻合,普朗克假设:物体辐射或吸收频率h=6.6260755×10-34J·s3.普朗克公式黑体单色辐出度普朗克常数：能量子:(最小能量单位).7.h=6.6260755×10-34J·s3.普朗克§19-3

光电效应一、光电效应.8.金属及其化合物在光照射下从表面发射电子的现象。(Photoemission)演示动画§19-3光电效应一、光电效应.8.金属及其化合物实验装置及规律在光的照射下，从阴极K表面上逸出电子(称为光电子)，在回路中形成电流(光电流)。UAK遏止电压单色光照射阴极K.9.实验装置及规律在光的照射下，从阴极K表面上逸出电1、存在截止频率(又称红限)

如锌板用紫外线照射，能产生光电效应，用其他可见光照射则不能产生光电效应。对于一定的金属阴极，只有当照射光频率ν大于某一频率ν0时，才会产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。.10.1、存在截止频率(又称红限)如锌板用紫外线照射，能产当加上反向电压时，仍有光电流产生；直至反向电压加大到某一值时，光电流完全消失，这个电压称为遏止电压，用Uc表示.

0

称为截止频率或红限频率。

(1014Hz)4.06.08.010.00.01.02.0Uc(V)CsNaCa.11.金属钨钙钠钾铷铯截止频率

0(1014Hz)10.957.735.535.445.154.69逸出功A(ev)4.543.202.292.252.131.94当加上反向电压时，仍有光电流产生；直至反向电压加大到增大A、K之间的电压UAK，光电流增大；当电压UAK足够大后，电流不再改变，这就是饱和光电流。此时若再增大照射光的强度，光电流会随之增大，而且饱和光电流

im

与照射光强度I成正比。3、光电流与照射光的强度成正比122、即照即生光电子即使入射光强度非常弱,只要入射光频率大于某一频率,从光照射金属表面,到光电子首次逸出,驰豫时间不超过10-9s(几乎无须时间积累).遏止电压与照射频率成正比,与照射光强无关.增大A、K之间的电压UAK，光电流增大；当电压UA

推论：单位时间内从阴极K上逸出的光电子数N与照射光强度

I成正比。4、光电子的最大初动能与照射光的强度无关，只与照射光的频率有关.13.

设：N是饱和状态下单位时间内从阴极K上逸出的电子数推论：单位时间内从阴极K上逸出的光电子数N与照射光强度光电效应中，从金属中逸出来的光电子，有些从金属表面直接飞出，而另外一些则从金属内部出来，沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量。因此光电子的速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能称为最大初动能。最大初动能设光电子的最大初动能为.14.光电效应中，从金属中逸出来的光电子，有些从金属表面直当两极间加上反向电压后,电场力对从K极板飞出的光电子作负功,使光电子速度减小;当电场力作的功eUc恰好等于光电子的最大初动能时,光电子到达A极板时的动能将变为零.Uc甲m,eKA+-.15.当两极间加上反向电压后,电场力对从K极板飞出的光电3.光电子的最大初动能应与照射光的强度有关,而与频率无关.二、光的经典电磁理论遇到的困难2.阴极电子积累能量达到逸出功(电子脱离金属表面原子的引力所需的功)需要一段时间，光电效应不应瞬时发生；1.无论照射光的频率如何，金属中的电子总能吸收照射光足够的能量，从而逸出金属表面，不应存在截止频率；推论:当照射光的频率ν大于截止频率ν0时,光电子的最大初动能与照射光的频率成正比.按照光的经典电磁理论.16.3.光电子的最大初动能应与照射光的强度有关,而与频率无关.二电磁辐射(或光)是由一束以光速c运动的粒子流组成，这些粒子称为光子；频率为

的每一个光子具有能量ε=h,它不能被再分割，而只能整个地被产生或吸收；频率为

的单色光照射金属时，一个电子一次只能吸收一个光子的能量h

.一、爱因斯坦光量子假设(1905):§19-4爱因斯坦的光量子论.17.二、爱因斯坦光电效应方程

(EinsteinianLightQuantumTheory)电磁辐射(或光)是由一束以光速c运动的粒子流组成~

一个电子吸收一个光子的能量；爱因斯坦方程设A为电子的逸出功(电子脱离金属表面时克服表面原子的引力所需作的功;A决定于金属本身的性质)则:~电子脱离金属表面时的最大初动能.三、爱因斯坦对光电效应的解释由爱因斯坦方程可知：.18.~一个电子吸收一个光子的能量；爱因斯坦方程设A4.

因入射光强

I与单位时间内的光子数成正比，所以也与单位时间内逸出的光电子数成正比，也就与饱和光电流im成正比。因而，红限频率为

1.当时，，即不产生光电效应；2.因A一定，所以与频率ν成正比；3.因一个电子一次性吸收一个光子的能量，不需要积累时间，所以发射几乎是瞬时的；.19.4.因入射光强I与单位时间内的光子数成正比，所以也与单四、光(电磁辐射)的波粒二象性1.近代物理理论认为光具有波粒二象性在有些情况下，光突出显示出波动性，而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。粒子不是经典概念粒子,波也不是经典概念波.2.基本关系式粒子性：能量

,动量P波动性：波长,频率

光子质量：光子动量：.20.四、光(电磁辐射)的波粒二象性1.近代物理理论认为光具有波一、康普顿效应(1923)X射线在石墨上的散射准直系统入射光

0散射光

探测器石墨散射体

§19-5康普顿效应

.21.在散射X射线中，除有与入射线相同波长的射线外，还有比入射线波长更长的射线，这一现象称为康普顿效应。(ComptonEffect)一、康普顿效应(1923)X射线在石墨上的散射准直系统入射光a.原子量小的物质，康普顿散射线相对较强；光子与电子的弹性碰撞二、用光子理论解释康普顿效应c.对于同一散射角θ,λ-λ0与散射物质无关.b.波长的改变量λ-λ0随散射角θ的增大而增大；22实验发现:散射线